基于组态软件的流量比值过程控制系统设计课程设计

1、基于组态软件的流量比值过程控制系统设计课程设计 ?过程控制工程?课程设计报告书课题名称基于组态软件的流量比值过程控制系统设计姓 名 学 号专 业指导教师 摘 要随着科学技术的快速开展,人们对过程控制提出了更高的要求,在许多生产过程中,要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系混合进行反响,对物料比例的要求甚为严格,如果不能满足要求,或是比例失和调,将会导致产品的质量达不到要求,以致造成损失,严重时会导致事故的发生.研究比值控制系统很有必要,提高比值控制系统的精度及水平具有深远的意义。 根据系统的工艺要求及实际需要,提出了流量比值控制的设计方案,因为组态王开发监控系统软件具有适应性强、开放性好

2、、易于扩展、经济、开发周期短等优点,本设计着重说明了组态王在设计开发流量比值控制系统中的应用。 单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路,用以实现主、副物料的比值保持不变该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变,同时,系统结构简单,因此在工业生产过程自动化中应用较广。此文主要讲的是强碱氢氧化钠的单闭环流量控制法。实际运行结果说明,系统不仅能按比值关系进行控制,而且具有较强的抗干扰能力。该设计可以用于化工厂,制药等场所。关键字:单闭环比值控制系统 设计 主 副物料 工业生产过程任务书 1. 根据双容液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过

3、程仪表。 2. 根据双容液位单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要,正确选用过程模块。 3. 根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 4. 运用组态软件,正确设计双容液位单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 5. 提交包括上述内容的课程设计报告。 目录 10.附录.20 1 绪论 在工业生产过程当中,有很多是要求两种或多种物料成一定比例关系,一旦比例失调,会影响生产的正常进行,影响产品质量,浪费原料,消耗动力,造成环境污染,甚至产生生产事故,所以严格控制其比例,对于平安生产来说是十分重要的。 特别是在产品生产中,经常需要两种或两种

4、以上的物料按一定比例混合或进行生产,如果比例失调,轻那么造成产品质量不合格,重那么会造成生产事故或发生人身伤害,给企业带来较大的损失。 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于过程工业中大局部物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统. 在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用Q

5、1表示;而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化;因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用Q2表示。一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。比值控制系统就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定比值关系,满足如下关系式:KQ2/Q1,式中K为副流量与主流量的流量比值。 本课程设计主要针对工业上优质氢氧化钠的生产,介绍的是一种单闭环流量比值控制系统,利用该系统,利用单闭环比值随动控制实现氢氧化钠生产中氧化铜溶液的自动配料。通过检测在硫酸钠溶液中按一定比例自动连续地掺加氧化铜溶液的多少

6、。利用单闭环比值控制的方式可以实现氧化铜溶液与硫酸钠溶液比例的恒定,到达了提高氢氧化钠质量的目的,同时生产生成的硫化铜经过焙烧氧化后可以循环利用。由此得到合格的产品和平安的生产过程。经实验和实践运行,证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。 2.1 控制方案 2.1.1 方案比拟 比值控制系统在实际生产中,可以根据实际情况选择不同的控制方案,比值系统的类型主要有开环比值控制系统,单闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统几种。方案一: 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统其系统组成如图 2-1 所示,整个系统是一个开环控制系统。 图 2-1(1)工艺流程图 (2)开环比值控制系统原

7、理图方案二: 根据比值系统的类型来设计生产氢氧化钠的控制系统,由单闭环比值控制系统原理设计的系统框图如图 2-2 所示。图 2-2 单闭环流量比值控制系统原理框图2.1.2 方案论证 就所设计的两种方案的方框图来看,明显可以看出方案二较之于方案一复杂,选用的设备也更多,但对于实际生产,生产效率和质量十分重要,因此对系统的稳定性和精确度要求较高,下面就这些因素对两个方案进行论证。 方案一的开环比值控制方案对副物料氧化铜溶液本身无抗干扰能力,只能适用于副物料较平稳且要求不高的场合。实际生产过程中,副物料的干扰常常是不可防止的,因此生产上很少采用开环比值控制方案。 方案二的单闭环流量比值控制系统,与

8、串级控制系统很相似,但功能很是不同。可以见得,系统中没有主对象和主调节器,这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方,串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量,而比值中,副流量不会影响主流量,这是两者之间本质上的区别。 经过分析,当系统处于稳态时,比值关系是比拟精确的;在动态过程中,比值关系相对而言不够精确。另外,如果主流量处于不变的状态,副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。 2.1.3 方案选择 通过前面方案的论证可知,开环比值控制系统适用于稳定性要求不高,扰动小的工业场合。而单比值闭环控制系统它不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化,而且可以克服副流量本身的干扰比

9、照值的影响,因此主副流量的比值较为精确。 设计针对控制对象,主流量选择为硫化钠溶液,而副流量那么选择是氧化铜溶液,实际生产中,由于这两种化学成分并不十分稳定,因而可能造成扰动频繁,并且属于负荷变化较大。 经过分析,选择方案二的单闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。如下列图所示的原理方框图 2-3。 图 2-3 氧化钠溶液单闭环比值控制自动配料系统框图。 3. 方案说明3.1 设计目的 通过组态王软件,结合实验设备,按照定制系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用单闭环控制结构和 PID 控制规律,设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制结构程序的液位单回路过控制系统。3.2 控制要求

10、 1. 根据流量比值单回路过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过程仪表。 2. 根据流量比值单回路过程控制系统 A/D、D/A 和开关 I/O 的需要,正确选用过程模块。 3. 根据与计算机串行通讯的需要,正确选用 RS485/RS232 转换与通讯模块。 4. 运用组态软件,正确设计流量比值单回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。4 硬件方案 4.1 流量检测传感器 本设计当中采用工业用的 LDS-10S 型电磁流量传感器, 公称直径 10mm, 流量 0 0.3m3/h,压力 1.6Mp,4-20mA 标准信号输出。可与显示,记录仪表,积算器 或调节器配

11、套。它的优点: 1.采用整体焊接结构,密封性能好; 2.结构简单可靠,内部无活动部件,几乎无压力损失; 3.采用低频矩形波励磁,抗干扰性能好,零点稳定; 4.仪表反响灵敏,输出信号与流量成线性关系,量程比宽; 流量转换器采用 LDZ-4 型电磁流量转换器,与 LDS-10S 型电磁流量传感器 配套使用,输入信号:00.4 输出信号:420mA DC,允许负载电阻为 0750 ,根本误差:输出信号量程的±0.5%。4.2 电动调节阀 采用电动调节阀对控制回路的液体的流量进行调节。采用德国 PS 公司进口 的 PSL202 型智能电动调节阀,无需配伺服放大器,驱动电路采用高性能稀土磁 性

12、材料制造的同步电机运行平稳,体积小,力矩大,抗堵转,控制精度高。控制 单元与执行机构一体化,可靠性高、操作方便,并可与计算机配套使用,组成最 佳调节回路。 由输入控制信号 420mA 及单相电源即可控制运转实现对压力流量 温度液位等参数的调节,具有体积小,重量轻,连线简单,泄漏量少的优点。采 用 PS 电子式直行程执行机构,420mA 阀位反响信号输出双导向单座柱塞式阀 芯,流量具有等百分比特性,直线特性和快开特性,阀门采用柔性弹簧连接,可 预置阀门关断力,保证阀门的可靠关断防止泄漏。性能稳定可靠,控制精度高, 使用寿命长等优点。4.3 过程模块 采用牛顿 7000 系列远程数据采集模块作为计

13、算机控制系统的数据采集通讯过程模块。牛顿 7000 系列模块体积小,安装方便,可靠性高。 D/A 模块采用牛顿 7024,四通道模拟输出模块,电流输出 420mADC,电 压输出 15VDC,精度 14 位。使用 7024 模块的 1 通道 I01 作为可控硅的电压控 制通道。 A/D 模块采用牛顿 7017,八通道模拟输入模块,电压输入 15VDC。使用 7024 模块的 1 通道 IN1 作为 A 流量信号检测输入通道,7024 模块的 2 通道 IN2 作为 B 流量信号检测信号输入通道。 通信模块采用牛顿 7520。RS232 转换 485 通讯模块。使用 RS-232/RS485 双

14、 向协议转换,转速为 300115200bps,可长距离传输。控制回路中电磁阀的开关 量输出模块采用牛顿 7043,16 通道非隔离集电极开路输出模块。最大集电极开 路电压 30V,每通道输出电流 100mA,可直接驱动电磁阀设备。4.4变频器 采用西门子 MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号,额定功率范围从 120W 到 200kW 恒定(转矩 CT 控制方式),或者可达 250kW(可变转矩 VT 控制方式),供用户选用。 本变频器由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT )作为功率输出器件。因此,它们具

15、有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的,因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数,它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。5.软件设计 5.1 组态图PV1 PV2 图4-1系统组态图 如上图所示,主动量液体的测出的流量值 PV1 经过比值器,与 PV2 进行偏 差运算,再进行 PID 运算。系统一般在手动的情况下是不输出值的,因为在此时 在进行参数设置,假设此时输出值,得到的结果不是预期要的,所以系统在手动的 情况下 PID 控制无输出值输出。只有

16、在自动的情况下,PID 才有输出值输出。5.2 组态画面 图 4.2 主界面 图 4.3 历史曲线 本设计共有两个个画面:主界面、历史曲线。主界面如图 4.2,在主界面中有三个反响容器,它们在本设计中只是作为容器, 装硫酸钠溶液的A、装氧化铜溶液的B和氢氧化钠混合液体,所以在本设计中没有设置动画连接,因为本设计主要 考虑的是流量比值控制。 在主界面中还有两个电动调节阀和两个电磁流量计, 两个电动调节阀分别是控制硫酸钠液体和氧化铜液体的流量,两个电磁流量计分别是测量硫酸钠液体和氧化铜液体的流量值。当我们启动系统后进入主界面我们首先在手动状态下(手动指示为蓝色)设置硫酸铜液体的电动调节阀的开度,使

17、硫酸铜液体得流量稳定,然后设置 Kp,Ti,Td,Kc,设置这 五个参数后,按下按钮后进入自动环节,系统按设定好的 PID 算法得到输出, 使 硫酸铜液体的流量与氧化铜液体的流量成设定的比例并稳定于此。 期间画面也能显示出电动调节阀的开度、 流量值, 并且管道也能模拟液体的流动。 并且在主界面中也能直接观察实时曲线,查看系统的稳定情况。当我们要观察历史的曲线时,我们可以单击历史曲线按钮,进入历史曲线界面。 历史曲线界面如图 4.2,在画面中有历史曲线框和两个按钮:返回(返回到 主界面)和退出。5.3应用程序 本系统的主要的实现是PID算法的实现,根据流量比值单回路控制系统的原理, 运用组态王所

18、提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。下列图4.4为pid的算法的流程图,取采样周期Ts1s。图4.4 PID算法流程图本系统采用PID位置控制算式,其控制算式如下:u k u k - 1 + K P 1 + T /Tt + TD/Tek - K P 1 +2TD/T ek - 1 + K P* TD /Tek - 2u k -1 + a0 ek - a1ek - 1 + a2 ek - 2a0 K P 1 + T/Tt+TD/Ta1KP1+2TD/Ta2 K P* TD/T 算式中,Kp 为比例系数,Ti 为积分时间,Td 为微分时间,以 uk作为计算 机的当前输出值,以 Kc

19、*PV 作为给定值,PV2 作为反响值即 AD 设备的转换值, ek作为偏差。 具体程序如下 启动时 T1; TITi/T; DTd/T; U(k)0; ek00; ek10; ek20; Sp0; ShowPicture"开机画面" 运行时: if自动开关 1 T1; G100; PKp; TITi/T; DTd/T; q01P*1+1/TI+D; q02P*1+2*D; q03P*D; ek0Kc*PV-PV2; U(k)q01*ek0-q02*ek1+q03*ek2+U(k0); U(k0)U(k); ek2ek1; ek1ek0; Sp设定值*0.4+4; A 流量

20、测量值 PV-1 /4*G; B 流量测量值 PV2-1 /4*G; B 阀门开度 U(k)-1/4*G; 停止时 U(k)0; Sp0; ek00; ek10; ek20; 5.4动画连接 图 4.5 动画连接图 当系统启动后,进入主界面,设定好参数后,进入自动状态。画面中的管道模拟液体的流动,它是与电动调节阀相关联的,只要电动调节阀是有开度的,管道就能模拟液体的流动。方块中的值为系统的相应实时值,它们分别与流量测量值、阀门开度相关联。矩形条中填充的红色反响电动调节阀的开度,它与方块中的值是相对应的,能比拟直观的反响阀门的开度。 在软件设计过程中,变量定义比拟有难度,在跟老师交流后,经查找资

21、料找到了变量定义方法,最后顺利完成变量定义。 调试开始时,观察不到现象,疑心是管道跟液体颜色定义有问题,后来将管道颜色定义为绿色,将液体定义为黑色,在运行时就明显观察到液体的流动,至此,实验成功。 单闭环流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛,它能使系统稳定,精确地输出,更能实现自动化控制,是过程控制系统的一个典型。本设计针对生产中两种液体的混合的控制, 对其设计了单闭环流量比值控制系统, 将硫化钠溶液作为主流量, 氧化铜溶液为副流量进行设计,设计中用到了多个硬件设备,并基于计算机实现过程的自动控制。7.心得体会 在这次课程设计中学到很多东西,对于组态软件学的不是很多,所以对这次课程设计来说

22、有一定难度。所以很多时候根据软件的使用说明书及查阅的相关资料,看着步骤一点点做出来的。当然做的过程也非常的不容易,不过却也是充满乐趣的。刚开始做的时候我们的管道都是用矩形框做出来的,管道与管道之间还选了图库里的管道作为接口,还花了很长时间把接口对齐,对的脖子都是疼的。后来在翻看一些相关资料时才发现管道是直接通过工具栏中的立体管道画出来的,有趣的是当你的划线的方向不一致时,管道里的溶液流动的方向也是不一样的。 设计中的难点就在建立动态链接那块,因为不同的器件对变量的要求不一样,而我们又不太清楚究竟什么样的器件需要建立什么样的变量与之对应,而且有的变量在定义为I/O型时,会选择存放器,这时就总会出

23、现错误,后来我们只能试着改变变量的类型,查看一些关于变量定义的相关资料,后来才修改好了。还有一个难点就是曲线,刚开始做的时候做出来的曲线就一条直线,后来才知道需要修改编的程序,但编程时程序稍有不对的地方,或者程序单从程序的角度看没有什么问题,但却会造成管道的溶液的不流动,花了很长的时间不断的调试修改程序,终于到达了理想的效果,在画面属性中编程时自己还犯了一个非常低级的错误,刚开始以为画面属性就是针对某个专门对象的设置呢,后来做时不断修改每个器件的画面属性,发现它是针对全局的。不管道路如何艰难吧,最后总算做出来了,路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。 本次课程设计对于我们来说是有一定难度的。首先对于

24、组态软件我们只是在学期做计算机网络技术时简单的学习了解,对软件的使用不够熟练,其次,此次课程设计安排在距离考研不到二十天的时间里,对于我们考研的同学来说时间是紧张而珍贵的。不过我们本着认真学习的态度来完成此次课程设计,因此,在设计过程中,我们上网、到图书馆查阅了大量的资料,同时也多多向吴老师和叶老师请教,向他们咨询课程设计中遇到的问题,最终此次课程设计以成功告终。 通过这次课程设计,我学到了很多。非常感谢吴老师、叶老师在组态软件应用方面、及我们遇到的问题给予我们耐心的讲解,我相信,这次课程设计能顺利完成跟两位老师的帮助是分不开的。当然,我也要感谢我们组的成员,谢谢他们给我的帮助,让我明白了团队

25、的重要性。我相信这在我以后人生道路上将是一笔珍贵的财富。 在此,再次感谢吴老师和叶老师对我们的帮助!1 邵裕森?过程控制工程?北京:机械工业出版社 2000。2曹立学?基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计? J工业控制计算机,2021 。3韩军,冯辉? 双闭环比值控制系统应用实例?J宁夏石油化工, 2004 。4曹立学?基于组态软件的流量比值控制系统设计?J仪器仪表标准化与计量, 2021 。5王再英,刘淮霞,陈毅静?过程控制系统与仪表?M.北京:机械工业出版社,2006 。6厉玉鸣?化工仪表及自动化?M.北京:化学工业出版社,1998 。7丁轲轲?自动测量技术?M.北京:中国电力出版社,2004 。8王俊杰?测技术与仪表?M.武汉:武汉理工大学出版社,2001 。9吴勤勤?控制仪表及装置?M.北京:化学工业出版社,2002。10 陈夕松,汪木兰?过程控制系统?北京:科学出版社2021 。11 王亚民,陈青?组态软件设计与开发?西安:西安电子科技大学出版社 2003 。12覃贵礼 ?组态软件控制技术?北京:北京理工大学 2007。 T1; TITi/T; DTd/T; U